3種珍貴樹種幼苗光合特性及日進程研究

王立冬，陳艷艷，湯行昊，張麗瓊，梁海燕，閆小莉*

(1.福建農林大學 林學院，福建 福州 350002；2.福建省林業科學研究院，福建 福州 350012)

殼斗科 (Fagaceae)植物廣泛分布于溫帶、熱帶、亞熱帶森林，是針闊混交林和常綠闊葉林的重要組成成分。殼斗科植物可提供木材，還可作能源植物和木本糧食，具有巨大的開發潛力。大葉青岡((Hand,-Mzt.)Cheng et T.Hong)材質堅重，強度大，收縮性大且耐腐蝕，可用于制作各類木制器械。赤皮青岡((Blume)Oerst)材質硬度高且紋理漂亮，是高檔用材樹種；同時，赤皮青岡樹形高大且為深根性樹種，在涵養水源和保持水土方面效果顯著，是兼具園林觀賞、生態綠化與工業用材等多功能于一體的珍貴鄉土樹種。紅椎(Miq.)是華南地區重要的珍貴鄉土造林樹種，速生，生態適應性廣。大葉青岡、赤皮青岡和紅椎是南方地區針闊混交林營造中被廣泛應用的闊葉樹種，但是，由于長期以來對這3個殼斗科珍貴樹種的過量砍伐利用，使其資源受到嚴重破壞甚至枯竭，已被列為中國Ⅱ級珍稀漸危樹種。目前，國內外針對3個珍貴樹種的研究多在生理生態、生長發育和養分吸收等方面，如Zhao等研究了不同坡向對紅錐人工林土壤種子庫數量、質量和幼苗萌發過程的影響；Lian等利用16S rRNA基因高通量測序和PICRUSt預測技術研究了紅椎人工林不同土層的土壤細菌群落結構和功能；Xu等研究了青岡的抗凍和抗機械損傷能力，并采用比較蛋白質組學分析方法對青岡發芽率低的原因進行了研究；施肥及不同施肥量對赤皮青岡生長的影響等。總體來說，針對這3個珍貴樹種的光合生理特性的相關研究相對較少，特別是針對大葉青岡、赤皮青岡和紅椎苗木光合特性和日進程及其與環境因子的關系的研究十分匱乏，僅有吳麗君等研究了不同脅迫條件對赤皮青岡的生長和光合生理的影響。

光合作用是植物體內極為重要的代謝過程，植物通過光合作用合成有機物為自身生長發育提供物質和能量基礎。受遺傳因子控制，不同植物具有不同的光合生理特性，植物葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO濃度(Ci)和水分利用效率(WUE)等主要光合相關生理特性因子綜合反映了植物的生長發育、物質生產與水分消耗關系。Pn是反映植物光合能力最直觀的光合指標，Pn越大，植物在單位時間內積累的有機物越多，在適宜環境條件下，Pn與葉片葉綠素含量有直接關系，在一定范圍內，植物葉片葉綠素含量越高，Pn越大。植物通過調節葉片氣孔開合程度來控制體內水分流失和與外界CO氣體的交換，氣孔導度是影響植物蒸騰作用、呼吸作用以及光合作用的主要因素之一，同時植物胞間CO濃度的高低也與氣孔導度有關。光合作用生理過程復雜，不僅與植物自身遺傳因子密切相關，還受光照強度、空氣溫度、空氣濕度、空氣CO濃度和土壤含水量等外界環境因子影響。

鑒于此，本研究以3個珍貴樹種大葉青岡、赤皮青岡和紅椎幼苗為研究對象，對3個樹種的光合生理特性進行測定，分析比較3個樹種的光合日變化和光合日均值，以及與其他光合參數和環境因子間的相關性，以期初步明確3個珍貴殼斗科樹種的光合特性及其對環境的適應性差異，從而為3個樹種的培育、樹種保護和混交造林樹種選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點設置在福建省林業科學研究院的試驗苗圃，地理位置為E 119°30′，N 26°15′，海拔50 m，溫暖濕潤，陽光充足，雨量充沛，無霜期326 d，屬于典型的亞熱帶季風氣候。年平均日照時數為1700～1980 h，年平均降水量為900～2100 mm，年平均氣溫為20～25 ℃。試驗地2021年4月20日日出時刻為5∶34′39″，日落時刻為18∶28′41″，至2021年5月5日日出時刻提前至5∶22′28″，日落時刻推遲至18∶36′28″。

1.2 試驗材料

為模擬自然狀態下林木幼苗的生長環境，本試驗在幼苗種植階段統一用50%透光率的遮陽網對3個樹種幼苗進行遮蔭處理，試驗選取生長狀況良好且長勢一致的兩年生大葉青岡、赤皮青岡、紅椎幼苗各6株作為試驗材料進行研究，幼苗苗高采用卷尺進行測量，地徑采用游標卡尺進行測量，利用Epson Expression 12000XL掃描儀進行葉片掃描，并用WinFOLIA分析軟件對幼苗葉片葉長、葉寬和葉面積進行分析，幼苗植株生長狀況和葉片基本數據見表1。

表1 3個殼斗科樹種幼苗植株生長狀況和葉片基本數據Tab.1 Seedling growth status and leaf basic data of three Fagaceae Species

1.3 試驗方法

..光合參數測量

2021年4月下旬至5月上旬選擇3天晴朗無云的天氣，使用便攜式光合儀(LI-6800,LI-COR Biosciences,Lincoln,NE,USA)進行3個樹種幼苗的葉片光合參數及其日變化測定，測定時將3×3 cm紅藍光源葉室Light值(光子通量)統一設置為1000 μmol/(m·s)，以確保研究樹種幼苗葉片獲得50%遮蔭環境下的最大光子通量，葉室溫度設置在30 ℃，CO濃度設置在400 μmol/(m·s)，濕度控制在50%～75%。光合作用速率從8∶00到16∶00每間隔2 h測定一次葉片的凈光合速率Pn μmol/(m·s)、氣孔導度Gs mol/(m·s)、蒸騰速率Tr mol/(m·s)、胞間CO濃度Ci μmol/(m·s)等光合生理指標，以及空氣相對濕度(RH)、空氣溫度(Ta)、空氣CO濃度(Ca)和飽和水汽壓虧缺(Vpdl)等環境因子，并計算3個樹種葉片水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。測定時，每個樹種選擇3棵長勢一致的植株，每一個植株在中部向陽的相同高度位置選擇3片無病斑損傷的健康成熟葉片進行測定，每片葉片重復測量5次。

..葉綠素含量測定

每株幼苗在樹冠中部相同高度位置收集2 g(約4～5片)無病斑損傷的健康成熟葉片，采用丙酮—乙醇(1∶1)浸提法提取葉綠素，在分光光度計下測量645 nm和663 nm波長處的吸光度，用修正過的Arnon公式計算葉綠素含量。

..數據分析

試驗數據采用Excel 2019進行處理，采用SPSS 24.0軟件進行單因素方差分析和皮爾森相關性分析，用LSD法檢驗=0.05水平上的差異顯著性，采用Origin 2019軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 3個殼斗科樹種光合特性日變化

..凈光合速率Pn和氣孔導度Gs的日變化

圖1-a可見,大葉青岡凈光合速率Pn日變化呈先降后升的“U”字型，赤皮青岡Pn日變化呈“降—升—降”的倒“S”字型，紅椎Pn 8∶00至10∶00下降明顯，10∶00之后無顯著升降變化。3個樹種Pn均在接近正午或正午前逐漸下降且正午之后上升，說明均存在“光合午休”現象。大葉青岡和赤皮青岡Pn最低值出現在12∶00，分別為0.177 μmol/(m·s)和0.991 μmol/(m·s)；紅椎Pn最低值出現在10∶00，為0.400 μmol/(m·s)，大葉青岡和赤皮青岡Pn從8∶00至12∶00分別下降2.21 μmol/(m·s)和0.63 μmol/(m·s)，紅椎Pn從8∶00至10∶00下降 1.01 μmol/(m·s)，大葉青岡Pn降幅最大，赤皮青岡Pn降幅最小。圖1-b可知，大葉青岡Gs日變化呈“W”字型，赤皮青岡和紅椎Gs日變化均呈“降—升—降”的倒“S”型，大葉青岡Gs最低值出現在14∶00為33.7 mmol/(m·s)，赤皮青岡和紅椎Gs最低值出現在10∶00分別為18.0 mmol/(m·s)和 14.3 mmol/(m·s)。

圖1 3個殼斗科樹種葉片凈光合速率Pn和氣孔導度Gs的日變化Fig.1 Diurnal changes of net photosynthetic rate and stomatal conductance in leaves of three Fagaceae species

..蒸騰速率Tr和胞間CO濃度Ci的日變化

圖2-a可見，大葉青岡的蒸騰速率(Tr)8∶00至10∶00下降幅度較大，10∶00之后無顯著升降變化，赤皮青岡和紅椎Tr日變化均呈“降—升—降”

圖2 3個殼斗科樹種葉片蒸騰速率Tr和胞間CO2濃度Ci的日變化Fig.2 Diurnal changes of transpiration rate and intercellular carbon dioxide concentration in leaves of three Fagaceae species

的倒“S”型，3個樹種均在10∶00出現谷值分別為1431.8 μmol/(m·s)、797.2 μmol/(m·s)和535.6 μmol/(m·s)。 圖2-b可見，大葉青岡胞間CO濃度Ci日變化整體呈先上升后下降的趨勢，赤皮青岡Ci日變化呈“降—升—降—升”的波狀，紅椎Ci日變化呈“升—降—升”的倒“Z”型，大葉青岡和紅椎Ci最大值出現在10∶00，分別為310.9 μmol/mol和290.6 μmol/mol，赤皮青岡Ci最大值出現在12∶00為284.9 μmol/mol。

..水分利用效率WUE的日變化

由圖3可見，大葉青岡、赤皮青岡和紅椎水分利用效率(WUE)日變化均呈先下降后上升的趨勢，且均在12∶00出現最低值，分別為889.0 μmol/(m·s)、1061.9 μmol/(m·s)和1137.3 μmol/(m·s)。大葉青岡、赤皮青岡和紅椎WUE在8∶00-12∶00分別下降56.1%、30.5%和49.8%。

圖3 3個殼斗科樹種葉片水分利用效率WUE的日變化Fig.3 Diurnal variation of water use efficiency in leaves of three Fagaceae species

2.2 3個殼斗科樹種的光合參數日均值差異分析

..凈光合速率Pn日均值和氣孔導度Gs日均值差異分析

圖4-a可見，3個樹種Pn日均值差異顯著(<0.05)，依次為大葉青岡>赤皮青岡>紅椎。大葉青岡、赤皮青岡和紅椎Pn日均值分別為1.86 μmol/(m·s)、1.50 μmol/(m·s)和0.80 μmol/(m·s)，大葉青岡Pn日均值分別比赤皮青岡和紅椎高23.8%和133.3%。圖4-b可見，3個樹種Gs日均值差異顯著(<0.05)，與Pn均值對應，呈相同順序規律，依次為大葉青岡>赤皮青岡>紅椎。大葉青岡、赤皮青岡和紅椎Gs日均值分別為40.9 mmol/(m·s)和25.7 mmol/(m·s)和18.7 mmol/(m·s)，大葉青岡Gs日均值分別比赤皮青岡和紅椎高59.0%和118.3%。

注：圖中不同小寫字母代表不同樹種間差異顯著(P<0.05)，下同。圖4 3個殼斗科樹種葉片凈光合速率Pn、氣孔導度Gs、蒸騰速率Tr和胞間CO2濃度Ci的日均值Fig.4 Daily average values of net photosynthetic rate,stomatal conductance,transpiration rate and intercellular carbon dioxide concentration in leaves of three Fagaceae species

..蒸騰速率Tr日均值和胞間CO濃度Ci日均值差異分析

圖4-c可見，3個樹種Tr日均值差異顯著(<0.05)，依次為大葉青岡>赤皮青岡>紅椎。大葉青岡、赤皮青岡和紅椎Tr日均值分別為1521.6 μmol/(m·s)、1010.4 μmol/(m·s)和669.0 μmol/(m·s)，大葉青岡Tr日均值分別比赤皮青岡和紅椎高50.6%和127.4%。圖4-d可見，大葉青岡與赤皮青岡和紅椎之間Ci日均值差異顯著(<0.05)，赤皮青岡與紅椎之間差異不顯著，3個樹種Ci日均值依次為大葉青岡>紅椎>赤皮青岡。大葉青岡、赤皮青岡和紅椎Ci日均值分別為299.1 μmol/mol、275.8 μmol/mol和280.18 μmol/mol。大葉青岡的Ci日均值分別比赤皮青岡和紅椎高8.5%和6.8%。

..水分利用效率WUE日均值差異分析

圖5可見，大葉青岡與赤皮青岡之間及大葉青岡與紅椎之間WUE日均值差異顯著(<0.05)，赤皮青岡與紅椎之間差異不顯著。3個樹種WUE日均值順序為赤皮青岡>紅椎>大葉青岡，赤皮青岡WUE日均值最高，為1538.4 μmol/(m·s)，分別比紅椎和大葉青岡高1.5%和18.5%。

圖5 3個殼斗科樹種葉片水分利用效率WUE的日均值Fig.5 Daily average value of water use efficiency in leaves of three Fagaceae species

2.3 葉綠素含量

由表2可見，3個樹種葉片的葉綠素含量存在顯著差異(<0.05)，葉綠素a含量、葉綠素b含量和總葉綠素含量的高低順序均為：大葉青岡>赤皮青岡>紅椎。大葉青岡葉片的葉綠素a含量分別比赤皮青岡和紅椎高4.6%和44.7%，葉綠素b含量分別比赤皮青岡和紅椎高0.3%和56.3%，總葉綠素含量分別比赤皮青岡和紅椎高3.3%和47.8%。3個樹種葉片的葉綠素a含量均大于葉綠素b含量。3個樹種葉片葉綠素a與葉綠素b的比值分別為2.5、2.4和2.7。

表2 3個殼斗科樹種幼苗葉片的葉綠素含量Tab.2 Chlorophyll content in seedling leaves of three Fagaceae Species

2.4 相關性分析

..凈光合速率和蒸騰速率與其他光合指標的相關性

3個樹種Pn和Tr與其他光合指標的相關性如表3，大葉青岡和赤皮青岡Pn與Tr呈極顯著正相關，紅椎Pn與Tr呈顯著正相關；大葉青岡和赤皮青岡Pn與Gs呈極顯著正相關，紅椎Pn與Gs呈顯著正相關；3個樹種Pn均與Ci呈極顯著負相關；3個樹種Pn均與WUE呈極顯著正相關。3個樹種Tr均與Gs呈極顯著正相關；大葉青岡和紅椎Tr與Ci呈極顯著正相關，赤皮青岡Tr與Ci呈不顯著正相關；大葉青岡和紅椎Tr與WUE呈極顯著負相關，赤皮青岡Tr與WUE相關性不顯著負相關。

表3 3個殼斗科樹種葉片光合參數間的相關性Tab.3 Correlation between photosynthetic parameters in leaves of three Fagaceae species

..凈光合速率和蒸騰速率與環境因子的相關性

3個樹種Pn和Tr與環境因子的相關性如表4，大葉青岡和紅椎Pn與Ta呈極顯著負相關，赤皮青岡Pn與Ta呈不顯著正相關；3個樹種Pn均與RH呈極顯著負相關；大葉青岡和紅椎Pn與Ca呈不顯著正相關，赤皮青岡Pn與Ca呈極顯著負相關。大葉青岡Tr與Ta呈顯著負相關，赤皮青岡Tr與Ta呈顯著正相關，紅椎Tr與Ta呈不顯著負相關；大葉青岡和紅椎Tr與Vpdl呈極顯著負相關，赤皮青岡Tr與Vpdl呈不顯著負相關。表5可知，3個樹種Pn均與Ls呈極顯著正相關，Ci均與Ls呈極顯著負相關，Ls減小，胞間CO濃度上升，凈光合速率下降。說明引起3個樹種“光合午休”的主要因素為非氣孔限制因素。

表4 3個殼斗科樹種葉片光合參數與環境因子間的相關性Tab.4 Correlation between photosynthetic parameters and environmental factors in leaves of three Fagaceae species

表5 3個殼斗科樹種葉片光合午休相關因子間的相關性Tab.5 Correlation among Photosynthetic lunch break related factors in leaves of three Fagaceae species

3 結論與討論

3.1 3個樹種光合特性及其日變化差異

不同樹種的光合生理存在較大差異，光合作用可作為判斷植物生長和抗逆性強弱的指標。植物葉片光合作用日變化的特征能夠反映植物對環境的適應性，研究光合日變化是探究植物光合能力和分析環境因子影響植物生長和代謝的重要手段，大多數植物的日變化一般表現為單峰型或雙峰型,有時會出現平坦型和不規則型。本試驗中，大葉青岡凈光合速率日變化呈先降后升的“U”字型，赤皮青岡和紅椎凈光合速率日變化均呈“降—升—降”的“S”型，3種植物的凈光合速率日變化未呈明顯的單峰型或雙峰型，但凈光合速率均有在正午或接近正午前下降且正午之后上升的現象，說明3個樹種幼苗存在“光合午休”現象。植物“光合午休”主要表現為正午或午后葉片光合作用減弱，凈光合速率降低，凈光合速率的降幅反映了植物對正午強光和高溫等環境的適應能力，大葉青岡、赤皮青岡和紅椎Pn的降幅分別為2.21 μmol/(m·s)、0.63 μmol/(m·s)和1.01 μmol/(m·s)，赤皮青岡凈光合速率降幅最小，“光合午休”現象最不明顯，說明赤皮青岡對強光和高溫環境的適應性比大葉青岡和紅椎強。3種植物的氣孔導度、蒸騰速率日變化規律與凈光合速率相似，均在10∶00至14∶00出現最低值或谷值，植物在中午氣孔收縮，氣孔導度和蒸騰速率隨之下降。張斌等研究了3種不同的生境對赤皮青岡光合特性的影響，結果表明不同生境條件下，赤皮青岡的凈光合速率與蒸騰速率變化趨勢基本一致，且呈雙峰曲線，均在10∶00和14∶00出現峰值，13∶00出現谷值，這與本試驗結果有偏差，本試驗測得的赤皮青岡凈光合速率從8∶00開始下降，在12∶00出現最低值，在14∶00出現峰值，原因可能是張斌等以成年大樹為試驗材料，本試驗以兩年生幼苗為試驗材料，植物在不同生長階段其光合生理存在差異，也可能是種源不同，本試驗地經度比張斌等的試驗地高9°13′，不同種源的植物光合生理指標具有明顯的地帶差異性，植物在不同生境中長期適應會形成不同的生活習性和不同的光照獲取策略。

凈光合速率決定著植物物質積累能力的高低，在一定程度上也決定著植物生長的快慢。3個樹種中大葉青岡凈光合速率日均值最高，赤皮青岡次之，紅椎最低，3個樹種氣孔導度和蒸騰速率日均值大小與凈光合速率呈相同規律，大葉青岡蒸騰作用最強，不僅有更強的礦質營養運輸能力，而且氣孔打開程度更大，使更多的CO通過氣孔進入細胞間隙供葉片進行光合作用，因此大葉青岡的光合固碳能力最強，赤皮青岡次之，紅椎最弱。水分利用效率是評價作物生長適宜度的綜合生理生態指標，能反映植物有效利用水資源的能力，其值越大，說明植物對水分的利用效率越高。3個樹種中赤皮青岡水分利用效率最高，紅椎次之，大葉青岡最低，消耗等質量的水赤皮青岡制造的干物質比大葉青岡和紅椎多。植物葉片的葉綠素含量在一定程度上反映了植物的光合能力，通常來說，葉片葉綠素含量越高植物吸收光能制造有機物的能力越強。3個樹種葉片在葉綠素含量上差異顯著(<0.05)，大葉青岡葉綠素含量最高，赤皮青岡次之，紅椎最低，這與3個樹種的凈光合速率日均值大小規律一致。研究表明，葉綠體基因組是綠色植物細胞第二大基因組，僅次于核基因組，在結構上較為保守，但經過長期的生物進化過程，不同樹種仍會形成基因結構的差異，進而形成基因表達上的差異，影響植物的葉綠體結構和葉綠素含量，最終影響植物的光合作用能力。

3.2 3個樹種光合作用對環境條件的適應性

植物光合作用的能力與環境條件密切相關，空氣溫度、空氣CO濃度和空氣相對濕度等環境因子共同作用并影響著植物的光合作用和生長發育。同時，植物也可通過調節自身生理生化反應響應環境的變化。不同植物對環境條件變化的適應性不同。正午或正午之后出現的強光、高溫和干旱等許多環境脅迫都能造成植物凈光合速率降低，不同的植物其“光合午休”現象產生的原因各異，主要是氣孔限制因素和非氣孔限制因素。Ls是反映植物葉片對大氣CO利用效率的大小的指標，其表達公式為：Ls=1-Ci/Ca，植物葉片胞間CO濃度與大氣CO濃度共同決定氣孔限制值的大小，根據Farquhar的觀點，通過Ls、胞間CO濃度和凈光合速率間的變化關系判斷凈光合速率的下降是否由氣孔限制因素造成，如果Ls減小，胞間CO濃度增加，而凈光合速率下降，則引起“光合午休”的原因是非氣孔限制因素，反之是氣孔限制因素。本研究中發現，3個樹種凈光合速率與氣孔導度呈極顯著或顯著的正相關關系，但與胞間CO濃度均呈極顯著負相關，3個樹種凈光合速率均與氣孔限制值呈極顯著正相關，胞間CO濃度均與氣孔限制值呈極顯著負相關，Ls減小，凈光合速率下降，胞間CO濃度卻上升，說明引起3個樹種“光合午休”的主要因素為非氣孔限制因素。強光和高溫是造成植物“光合午休”最主要的兩個生態因素，由于光合作用測量過程中全天光強值設置在1000 μmol/(m·s)，無法通過光強變化判斷3個樹種“光合午休”的原因，只能通過Pn與Ta的變化關系判斷3個樹種的“光合午休”是否由高溫引起。光合作用生理過程復雜，易受環境影響，對溫度的變化極為敏感。研究表明，高溫使植物PS Ⅱ反應中心閉合程度(V)增加，受體側損傷，引起電子傳遞效率降低，進而抑制光合。大葉青岡和紅椎Pn與Ta呈極顯著負相關，赤皮青岡Pn與Ta呈不顯著正相關，說明高溫可能是引起大葉青岡和紅椎“光合午休”的原因，但不是引起赤皮青岡“光合午休”的原因，引起赤皮青岡“光合午休”的原因可能是強光，過剩的光能會產生活性氧，導致脂質過氧化，細胞膜的破壞，甚至發生光氧化，破壞植物的光合機構。試驗結果說明赤皮青岡對高溫的適應性比大葉青岡和紅椎強。

飽和水汽壓虧缺是重要的生態指標，在全球變暖的大環境下，陸地表面溫度升高增加了大氣的飽和水汽壓，但空氣實際水汽壓沒有以相同的速度增加，飽和水汽壓虧缺會隨著溫度的升高而增加。植物光合對飽和水汽壓虧缺的響應可以直觀地反映植物光合作用對空氣溫度和水分變化的適應能力。3個樹種凈光合速率與空氣相對濕度均呈極顯著負相關，大葉青岡和紅椎凈光合速率與空氣溫度和飽和水汽壓虧缺均呈極顯著負相關，赤皮青岡凈光合速率與空氣溫度和飽和水汽壓虧缺呈不顯著正相關，溫度升高，飽和水汽壓虧缺增大，大葉青岡和紅椎凈光合速率均下降，而赤皮青岡凈光合速率不下降，說明赤皮青岡對環境溫度和水分變化的耐受性強于大葉青岡和紅椎。大葉青岡和紅椎的蒸騰速率與空氣溫度呈顯著負相關，赤皮青岡的蒸騰速率與空氣溫度呈顯著正相關，即空氣溫度升高，赤皮青岡的蒸騰散熱能力隨之增強，說明3個樹種中赤皮青岡對高溫環境的適應性較強。這與張斌等的研究結果一致，原因是赤皮青岡具有較強的光合可塑性，可以通過調節氣孔開合程度來改變其氣體交換參數，從而適應環境的變化。

綜上所述，3個殼斗科樹種均存在“光合午休”現象，大葉青岡的光合固碳能力最強，用于造林栽培具有較高的經濟效益和生態效益；赤皮青岡水分利用效率最高，且對強光和高溫環境的適應性比大葉青岡和紅椎強；紅椎不適合在強光和高溫環境下栽種，在培育幼苗過程中應適當遮蔭。